Superhydrous phase B和phase D在地幔温压下的弹性性质及其对下地幔顶部不连续面的意义

论文摘要

水的存在可以极大的影响矿物、熔体、流体的物理和化学性质,少量的水便可显著改变地幔物质的熔点、电导率、粘性、密度和波速等性质。因此,地球内部水循环是控制地球动力学和地球化学演化的关键过程之一,研究地球内部水循环对我们理解地球内部具有非常重要的意义。Superhydrous phaseB（ShyB）和phase D可以在位于下地幔顶部的冷的俯冲板块中稳定存在,是将水输运到地幔过渡带和下地幔的重要潜在矿物,地震学的观测表明地球的下地幔有许多局部的不连续面或散射体,含水矿物的脱水可能是这些不连续面或散射体的成因之一。因此,研究ShyB和phase D在高温高压下的弹性性质对于我们理解地球深部水循环和下地幔不连续面或散射体的成因具有重要意义。我们利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,使用局域密度近似（LDA）作为交换关联泛函,获得了ShyB在高温高压下的热力学性质和弹性性质;使用广义梯度近似（GGA）作为交换关联泛函,获得了phase D在高温高压下的热力学性质和弹性性质。研究结果表明,ShyB的波速和密度要显著低于下地幔顶部的主要矿物布里奇曼石,在下地幔顶部区域,ShyB的P波波速比布里奇曼石低9.2%-10.1%,S波波速比布里奇曼石低14.1%-14.4%,密度比布里奇曼石低15.3%-16.0%.ShyB在地幔温压条件下的各向异性并不显著,它会在800 km左右的深度脱水,生成布里奇曼石、方镁石和水,这将会导致P波波速增加7.5%、S波波速增加15%、密度增加12%。因此,ShyB脱水产生的S波阻抗差高达27%,即便冷的俯冲板块中仅含有少量的ShyB,ShyB的脱水也会产生一个地震学上可以检测的信号,可能与一些地区观测到的800 km不连续面有关。此外,ShyB脱水生成的水由于密度较轻,可能会迁移到浅部区域,促进部分熔融,导致低速异常的产生。因此,ShyB的脱水可以为西太平洋俯冲板块区域观测到的800 km不连续面及其上方的低速层提供一个合理的解释。与ShyB不同的是,phase D在下地幔区域并没有展现低波速的特征,在下地幔顶部（660 km-1000 km）,phaseD的P波波速仅比布里奇曼石低0.5%-3.5%,S波波速仅比布里奇曼石低0%-2.0%,因此,只有大量的phase D聚集在下地幔顶部,才有可能产生观测到的低速异常。但phase D与ShyB一样,在下地幔顶部展现了一个低密度的特征,它比布里奇曼石的密度低～14%。先前的研究显示phase D在30-40 GPa会由于氢键的对称化导致体模量突然增加,但我们的计算结果表明,phase D的体模量随压强的增加光滑增加,在30-40 GPa没有观测到体模量的突然增加。虽然ShyB在地幔温压条件下的各向异性并不显著,但Phase D在地幔温压条件下却具有很强的各向异性（～18%）,它在俯冲板块中聚集可以解释汤加俯冲板块660 km下方观测到的各向异性。此外,由于phase D的密度比布里奇曼石的密度低15%,phase D的脱水会在660 km-1000 km的深度产生非常显著的阻抗差,这可以为马里亚纳和汤加俯冲板块区域660 km下方尤其是1000 km左右深度观测到的散射体或不连续面提供一个合理的解释。我们的研究提供了ShyB和phase D脱水导致的波速差和密度差数据,表明ShyB和phase D的脱水可能与下地幔顶部俯冲板块区域观测到的不连续面和散射体有关。如果后续的地球物理学观测证实了下地幔顶部观测到的不连续面或散射体信号确实与ShyB和phase D的脱水有关,将是水被输运到下地幔的强有力证据。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨大鹏

导师: 吴忠庆

关键词: 地球深部水循环,第一性原理计算,热力学性质,热弹性性质,各向异性,阻抗差,不连续面,下地幔顶部,西太平洋俯冲板块,马里亚纳和汤加俯冲板块

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P542.5

总页数: 117

文件大小: 10250K

下载量: 58

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